核電機組一鍵啟動控制系統(tǒng)設(shè)計原則研究

劉一鳴，吳 茜，張瑞萍

（華龍國際核電技術(shù)有限公司，北京 100036）

0 引言

現(xiàn)代化的核電運營對機組的自動化水平提出越來越高的要求。DCS系統(tǒng)是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動化的不斷興起和過程控制要求的日益復(fù)雜應(yīng)運而生的綜合控制系統(tǒng)，它是計算機技術(shù)、系統(tǒng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和多媒體技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。除了具有常規(guī)測量儀表的測量和控制功能外，還具有極強的數(shù)據(jù)處理和通信能力，能將現(xiàn)場的信息通過計算機網(wǎng)絡(luò)連到電站的任何地方，從而使電站操作員可以通過系統(tǒng)提供的人機界面和強大的通信功能，對分布在全站各處的設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)視、控制與管理[1]。因此，核電廠DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用為提升核電廠自動化水平提供了便利性與基礎(chǔ)。

目前，核電機組的一鍵啟動控制系統(tǒng)研究都是在DCS基礎(chǔ)上進(jìn)行的，核電機組如果能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵啟動，不僅能夠顯著提高機組啟動的自動化水平，還將大大縮短機組啟動時間，減輕電站工作人員負(fù)擔(dān)，減少人為失誤帶來的損失。因此，開展核電機組一鍵啟動控制系統(tǒng)應(yīng)用研究，對提升DCS在核電機組的應(yīng)用水平及進(jìn)一步提高電廠的自動化水平具有非常重要的意義。

1 一鍵啟動控制系統(tǒng)

一鍵啟動控制系統(tǒng)是順序控制系統(tǒng)在機組啟動過程中的應(yīng)用。其最終目標(biāo)是通過按下一個控制鍵，使機組按照設(shè)計的先后順序自動啟動。在啟動過程中，控制系統(tǒng)根據(jù)機組內(nèi)各工藝系統(tǒng)在啟動不同階段的需要以及對機組工況全面、準(zhǔn)確、迅速的監(jiān)測情況，通過時間及聯(lián)鎖條件等方面邏輯判斷，向核電廠內(nèi)各控制功能組、功能子組或驅(qū)動器發(fā)出控制指令，其中包括大量閥門開關(guān)、參數(shù)設(shè)置、設(shè)備切換等，機組啟動全部過程由控制系統(tǒng)自動完成，避免了人為操作中的各種不穩(wěn)定因素，將極大地減輕運行人員操作強度。

目前，其他工業(yè)領(lǐng)域上應(yīng)用的一鍵啟動控制系統(tǒng)多為斷續(xù)性的順序控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)將啟動的整個過程分為多個操作序列，序列與序列之間在時間特性上表示為離散量，序列之間、序列中的不同步驟的轉(zhuǎn)換條件分類為：時序控制、邏輯控制和混合控制。

表 2 水下采油樹SIL分析結(jié)果Table 2 SIL Analysis results of underwater Christmas trees

1）時序控制。即以執(zhí)行時間為依據(jù)，各設(shè)備的運行時間是事先已確定的，一旦順序執(zhí)行，將按預(yù)定的時間執(zhí)行操作指令。

2）邏輯控制。即控制系統(tǒng)按照先后順序以及執(zhí)行條件等邏輯來執(zhí)行操作指令，它與時間無嚴(yán)格的關(guān)系，僅按照預(yù)先設(shè)置的先后邏輯，前一操作序列完成后即執(zhí)行后續(xù)操作序列。

3）混合控制。在控制過程中，既包含時間控制又包含邏輯控制的系統(tǒng)稱為混合控制。

一鍵啟動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方式主要包括：

◇繼電器：最早的順序控制系統(tǒng)主要由繼電器來實現(xiàn)，即系統(tǒng)的邏輯功能實現(xiàn)均靠硬件完成，主要由接觸器、普通繼電器、時間繼電器等控制器完成所需的順控邏輯。但是由于是硬件設(shè)備，存在著老化快、故障率高、邏輯修改不便、維修難等問題。

◇晶體管：晶體管繼電器是以晶體管為基礎(chǔ)構(gòu)成的一種繼電器，屬于靜態(tài)繼電器。晶體管繼電器與普通繼電器相比沒有接點，減少了接點的可動部件，因此相對來說可靠性得到了提升。同時，由于材質(zhì)的原因，晶體管繼電器的使用壽命比普通繼電器長，因而在誕生后得到了普遍的使用，不過由于也是硬件設(shè)備，邏輯修改、設(shè)備維修養(yǎng)護(hù)也不方便。

可編程邏輯控制器（PLC）是一種具有微處理機的數(shù)字電子設(shè)備，用于自動化控制的數(shù)字邏輯控制器，與繼電器、晶體管不同，PLC只需通過軟件就能完成順序邏輯編輯，并通過計算機來執(zhí)行操作指令。因此，在PLC上能很容易實現(xiàn)順序邏輯的修改，得到了廣泛應(yīng)用。

計算機組成的順序邏輯控制系統(tǒng)是指在DCS系統(tǒng)或工控機實現(xiàn)順序邏輯控制功能的控制系統(tǒng)。由于大型的電廠都已經(jīng)應(yīng)用了DCS系統(tǒng)，因而這類控制系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)有了廣泛的基礎(chǔ)。在這類控制系統(tǒng)中，主要有連續(xù)量（模擬量）和開關(guān)量的控制，采用計算機對其進(jìn)行操作和管理。

2 一鍵啟動控制系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 火電廠的一鍵啟動現(xiàn)狀調(diào)研

APS（Automatic Plant Start-up and Shutdown System）是目前國內(nèi)火電站應(yīng)用的一鍵啟停系統(tǒng)的簡稱。APS系統(tǒng)的主要功能包括火電廠啟停過程順序控制、機組啟停操作指導(dǎo)及操作員信息3部分。由于一方面受到機組眾多測量裝置、方式以及廠網(wǎng)運行管理水平的制約，另一方面受到國內(nèi)整體設(shè)計經(jīng)驗不足及設(shè)備自動化整體整合程度不高等因素的制約，國內(nèi)的APS系統(tǒng)的控制水平未能達(dá)到連續(xù)不間斷的控制。在火電廠一鍵啟動設(shè)計過程中，采用可編輯斷點控制方式。斷點方式就是將電廠啟停過程分為若干個順控來完成，每個斷點的執(zhí)行均需要人為確認(rèn)才能開始。斷點控制優(yōu)點是：可判斷某斷點控制是否有效，便于故障尋找；有利于控制方案修改，便于各專業(yè)人員相互監(jiān)督。

火電機組采用了APS系統(tǒng)之后，有效縮短了機組啟停時間，降低了操作人員的勞動強度，同時還節(jié)省機組啟停過程中的水、煤、油、電等消耗。通過實際應(yīng)用中的測算，一臺百萬千瓦機組采用一鍵啟停技術(shù)后，每年約可節(jié)約費用1700萬元[2]。

2.2 變電站的一鍵順控應(yīng)用現(xiàn)狀

變電站的順控系統(tǒng)是將編制程序事先設(shè)定的順序，根據(jù)錄入信號，依據(jù)電氣五防要求、網(wǎng)絡(luò)閉鎖、電氣閉鎖等要求，在運作過程中，使各個一次設(shè)備能夠按照一定的順序和規(guī)律進(jìn)行操作。由于變電站的設(shè)備較為簡單，一次設(shè)備均為可遠(yuǎn)控的斷路器、接觸器等，且倒閘操作有很強的邏輯順序關(guān)聯(lián)。因此，目前順控技術(shù)在變電站的一次設(shè)備上已得到了廣泛應(yīng)用。此項技術(shù)對變電站運維工作有著積極的作用，對運維人員的人身安全也起到了一定的保護(hù)作用，防止人為誤操作或誤入間隔等，提高了工作效率。一座220kV變電站220 kV GIS區(qū)傳統(tǒng)的停電時間大約為80min左右，一鍵順控操作時間僅為19min，效率提高了76%，一鍵順控技術(shù)將會為電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運行提供可靠保障[3]。

從國內(nèi)變電站運維現(xiàn)狀來看，國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)的500kV及以下的變電站群，采用順控技術(shù)使設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換操作可以在同一個運維站生成操作票并執(zhí)行，大大降低了變電站的值班人數(shù)，并實現(xiàn)了大量變電站的無人值守[4]。

2.3 核電站的一鍵啟動現(xiàn)狀調(diào)研

目前，國內(nèi)的核電機組還沒有一鍵啟動的概念，但已有部分順序控制技術(shù)的應(yīng)用實例。如CPR1000機組的RGL002試驗（電廠正常運行期間不用的棒束完好可用性試驗）實現(xiàn)了順控，EPR機組也在部分單系統(tǒng)的啟動過程中設(shè)置了順序控制。此外，VVER機組已在其儀控系統(tǒng)平臺（西門子SPPA-T2000）配置了部分系統(tǒng)及啟動過程的順序控制，例如蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)、二回路水回路啟動、汽輪發(fā)電機沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)等。AP1000機組也已開展了順控應(yīng)用的研究，但還未實際應(yīng)用。調(diào)研過程中通過運行人員訪談了解到，運行人員想要的順控設(shè)置主要還是針對某個系統(tǒng)/多個系統(tǒng)的短時聯(lián)動啟動，或者是在穩(wěn)定運行的系統(tǒng)中的定時啟動/定期切換設(shè)置，整個流程不宜過于復(fù)雜，時長也不能過長。

因此，與火電機組類似，后續(xù)核電機組的一鍵啟動系統(tǒng)設(shè)計需在啟動過程中各主要操作序列上逐一進(jìn)行應(yīng)用研究。最初設(shè)計的系統(tǒng)是帶有斷點的，是由多個順序控制的操作序列間斷組合成的“一鍵啟動”。

3 核電機組一鍵啟動控制系統(tǒng)設(shè)計原則

針對此類帶有斷點的“一鍵啟動”控制系統(tǒng)的設(shè)計，本文對其設(shè)計的基本要求與原則開展了研究。

3.1 一鍵啟動控制系統(tǒng)設(shè)計基本要求

通過研究總結(jié)，實施一鍵啟動控制具備可行的基本條件如下：

1）被控設(shè)備具備遠(yuǎn)程控制能力

啟動控制過程中涉及的被控設(shè)備包括泵、閥等大量不同設(shè)備，如果閥門為手動閥門，即其不具備遠(yuǎn)程控制條件則不可實現(xiàn)順序自動控制，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的閥門可以是液動、氣動、電動等；同理，泵組等其他被控設(shè)備也需具備遠(yuǎn)程操控的能力。

工藝過程中的溫度、壓力、流量、液位、反應(yīng)堆反應(yīng)性等參數(shù)應(yīng)具備自動控制條件，即有對應(yīng)的自動控制系統(tǒng)。

3）被控設(shè)備、被控參數(shù)的控制結(jié)果具備可監(jiān)視、可度量的特性

在每個操作序列執(zhí)行過程中，涉及的被控設(shè)備的運行狀態(tài)及被控參數(shù)需要得到持續(xù)的監(jiān)視，即每個操作序列的執(zhí)行都需要進(jìn)行前序條件檢查、過程參數(shù)控制、最終狀態(tài)檢查。

4）控制過程中各步序之間具有明確的時序、邏輯關(guān)聯(lián)

根具第1章所述，一鍵啟動控制系統(tǒng)過程控制的分類，要求控制過程中各步序之間要有明確的時序、邏輯關(guān)聯(lián)，用于建立順序控制的邏輯。

目前內(nèi)固定物失效仍是肩袖修復(fù)的主要并發(fā)癥之一，因此可靠的初始內(nèi)固定強度對于肩袖撕裂修復(fù)十分重要。Meier等［18］通過在30例尸體的肩關(guān)節(jié)上模擬全層撕裂的肩袖損傷，分別采用穿骨縫合、單排錨釘縫合、雙排錨釘縫合。其結(jié)果顯示錨釘固定的抗拉力強度明顯強于穿骨縫合，雙排錨釘明顯強于單排錨釘，且當(dāng)雙排錨釘固定試驗的拉力強度達(dá)到設(shè)定最大限度時，仍未出現(xiàn)內(nèi)固定失效情況，這也說明雙排錨釘能為肩袖修復(fù)內(nèi)固定維持提供高強度抗拉力作用。

3.2 一鍵啟動控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的基本原則

目前，國內(nèi)暫無針對順控技術(shù)及一鍵啟動控制的設(shè)計法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)，研究過程中通過查閱資料以及現(xiàn)場調(diào)研，歸納總結(jié)出一些適用于核電站一鍵啟動控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則：

3.2.1 可操作性原則

1）一鍵啟動涉及的系統(tǒng)及設(shè)備需具備遠(yuǎn)程控制操作能力。對于現(xiàn)階段大部分需要進(jìn)行手動操作要求的設(shè)備群（如現(xiàn)場啟動的泵、手動閥、冷凍機等），經(jīng)過分析暫不具備轉(zhuǎn)為遠(yuǎn)控操作或設(shè)計修改的經(jīng)濟代價過大的，可暫不考慮納入一鍵啟動控制。其控制可通過斷點方式來現(xiàn)場執(zhí)行。

2）一鍵啟動控制系統(tǒng)的操作步驟應(yīng)做到簡單、實用。由于控制順序及方式由工藝特點及運行方式?jīng)Q定，工藝系統(tǒng)的設(shè)計也應(yīng)盡量簡化，控制程序應(yīng)具有良好的操作性。

3）一鍵啟動控制系統(tǒng)的操作畫面設(shè)計應(yīng)為運行人員提供簡捷、形象的操作指導(dǎo)及提示信息，操作指導(dǎo)應(yīng)使用圖形方式顯示，同時顯示執(zhí)行的操作序列及具體的操作步驟，此外在畫面上還需顯示參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)信息。

3.2.2 安全性原則

1）一鍵啟動控制系統(tǒng)的啟停設(shè)計應(yīng)優(yōu)先考慮保證核安全以及保護(hù)被控設(shè)備，并考慮機組的正常運行。

2）為了保護(hù)被控對象，一些特定設(shè)備的啟動應(yīng)采用閉鎖設(shè)計，避免被控設(shè)備損壞。例如，泵與入口閥門之間的閉鎖設(shè)計，且系統(tǒng)故障后被控對象執(zhí)行的指令應(yīng)向安全位置動作。

3）為了防止操作員的誤操作，在執(zhí)行一鍵啟動操作的過程中必須設(shè)有許可條件。即每一項操作序列都有前序條件的檢查。

4）一鍵啟動控制系統(tǒng)在自動運行期間，若被控對象出現(xiàn)故障或操作員發(fā)出中斷信號，則應(yīng)中斷正在執(zhí)行的指令，使被控對象向安全位置動作。當(dāng)運行人員排除故障并經(jīng)確認(rèn)后，可啟動程序并繼續(xù)執(zhí)行下去。

5）一鍵啟動控制系統(tǒng)的運行因設(shè)置中止條件，中止條件可參考系統(tǒng)的報警卡程序及邏輯圖制定。

3.2.3 滿足實際需求原則

1）確定某個控制過程是否納入一鍵啟動控制，要綜合考慮生產(chǎn)、運行的需求和工藝及過程控制設(shè)備是否具備條件。

2）應(yīng)根據(jù)核電站倒班工作的方式，設(shè)置單個順控操作序列的運行時間，原則上不應(yīng)超過一個倒班值的工作時間（8h）。

3）一鍵啟動控制系統(tǒng)的斷點設(shè)置，需要滿足核電站狀態(tài)轉(zhuǎn)換點檢查、臨界及并網(wǎng)點釋放等實際需求。

3.2.4 運行人員主導(dǎo)原則

1）一鍵啟動控制系統(tǒng)執(zhí)行的最終責(zé)任人是運行人員。因此，一鍵啟動控制系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成使得運行人員在任何時候都具有對一鍵啟動控制系統(tǒng)的控制權(quán)，系統(tǒng)只能按運行人員的指令執(zhí)行規(guī)程步或規(guī)程步系列。

2）一鍵啟動控制系統(tǒng)畫面的設(shè)計應(yīng)能為操作員順序顯示啟動過程中涉及的各工藝系統(tǒng)設(shè)備的工作狀態(tài)，還應(yīng)設(shè)有一鍵啟動控制設(shè)備的故障報警信號。設(shè)計復(fù)雜的一鍵啟動控制系統(tǒng)時，必須顯示每一個操作要求和步驟。

3）一鍵啟動控制系統(tǒng)中每執(zhí)行一步操作均應(yīng)得到被控對象反饋信號的確認(rèn)，并監(jiān)視該動作的執(zhí)行時間。若該動作執(zhí)行超出設(shè)定的時間，則產(chǎn)生報警信號，禁止執(zhí)行下一步動作。當(dāng)運行人員消除故障后，可再次啟動控制程序，繼續(xù)執(zhí)行下去。

3.2.5 人因工程原則

1）一鍵啟動控制系統(tǒng)的設(shè)計及實施應(yīng)遵循人因工程方法和原則，并遵循控制室整體人因工程原則的要求。

2） 用戶宜持續(xù)地參與一鍵啟動控制系統(tǒng)的設(shè)計過程，以確保系統(tǒng)充分滿足預(yù)期用戶的需求。

3）一鍵啟動控制的啟、停、中斷等操作控件，根據(jù)系統(tǒng)重要性和使用頻度的要求，可布置在主要控制臺或控制畫面上。

4）對于每一個子組/操作序列及所涉及的相關(guān)設(shè)備，它們的狀態(tài)、啟動許可條件、操作順序和運行方式，均應(yīng)在主控制室顯示器畫面上顯示。

4 結(jié)語

本文通過對一鍵啟動控制系統(tǒng)的簡要介紹，以及一鍵啟動控制系統(tǒng)在火電機組、變電站、核電機組上的應(yīng)用現(xiàn)狀研究，從操作性、安全性、實際需求、人因工程等角度提出了核電機組一鍵啟動控制系統(tǒng)設(shè)計基本原則及要求，為進(jìn)一步開展核電機組的一鍵啟動控制系統(tǒng)研究奠定了基礎(chǔ)。